Система автоматического регулирования теплопотребления жилого здания

метки: Система, Регулирование, Потребление, Теплов, Энергия, Автоматический, Температура, Схема

В конце 2009 года вступил в силу федеральный закон № 261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности». Его основная задача создать экономические стимулы, мотивирующие граждан, муниципальные и промышленные предприятия, к переходу на современные энергосберегающие технологии, сформировать экономические механизмы, стимулирующие к внедрению энергоэффективного оборудования.

Сегодня закон об энергосбережении дает потребителям возможность получить выгоду. Потребитель заинтересован в том, чтобы иметь объективную информацию о том, какое количество энергоресурсов он потребил. Кроме того, потребитель заинтересован в том, чтобы иметь возможность регулировать потребление — уменьшать или увеличивать его.

Реализовать обозначенные потребности потребителя позволяет автоматическая система мониторинга и управления теплопотреблением.

В рамках курсовой работы разрабатывается автоматическая система управления (далее АСР) теплопотреблением здания — жилого дома по адресу Московский тракт 87.

АСР теплопотреблением здания позволяет решать следующие задачи:

1) автоматическое подержания заданных параметров теплоносителя в зависимости от температуры окружающей среды;

2) мониторинг состояния объекта в реальном масштабе времени, определяя соответствие текущих значений внутренних и внешних параметров их оптимальным значениям, соответствующим наименьшему теплопотреблению здания;

3) предоставления информации о потреблении энергоресурсов и выполнения договорных условий о режимах работы инженерных систем энергоснабжающей организации [1].

1. Описание объекта автоматизации

2. Регулирование теплопотребления здания

2.1 Функции системы регулирования теплопотребления

Функции системы регулирования теплопотребления:

1) преобразование параметров теплоносителя (давление и температура), поступающих из тепловой сети до значений требуемых внутри здания;

2) обеспечение циркуляции теплоносителя в системе отопления (далее — СО);

3) защита систем отопления и ГВС от гидроударов и от сверхдопустимых температурных значений;

4) управление температурой подачи теплоносителя с учетом наружной температуры, дневных и ночных изменений температуры;

5) управление температурой в обратном трубопроводе (ограничение температуры теплоносителя, возвращаемого в теплосеть);

6) приготовление теплоносителя для нужд ГВС, в том числе для поддержания температуры ГВС в пределах санитарных норм;

Энергосберегающие здания, использование солнечной энергии

... архитектурно-строительных систем зданий выдвигает на одно из первых местзадачу повышения их технического уровня на основе современных требований по энергоэффективности, в том числе ... страны, то становится ясно, что для народного хозяйства первостепенное значение имеет повышение эксплуатационных характеристик зданий, поскольку именно здесь заложены перспективы реальной экономии энергоресурсов и ...

7) обеспечение циркуляции теплоносителя в сетях потребителей с целью предотвращения непроизводительного сброса недостаточно горячей воды.

2.2 Виды регулирования теплопотребления

Системы теплоснабжения представляют собой взаимосвязанный комплекс потребителей тепла, отличающихся как характером, так и величиной теплопотребления. Режимы расходов тепла многочисленными абонентами неодинаковы. Тепловая нагрузка отопительных установок изменяется в зависимости от температуры наружного воздуха, оставаясь практически стабильной в течение суток. Расход тепла на горячее водоснабжение и для ряда технологических процессов не зависит от температуры наружного воздуха, но изменяется как по часам суток, так и по дням недели. В этих условиях необходимо искусственное изменение параметров и расхода теплоносителя в соответствии с фактической потребностью абонентов. Регулирование повышает качество теплоснабжения, сокращает перерасход тепловой энергии и топлива. В зависимости от места осуществления регулирования различают: центральное, групповое, местное и индивидуальное регулирование.

Центральное регулирование выполняют на ТЭЦ или в котельной по преобладающей нагрузке, характерной для большинства абонентов. В городских тепловых сетях такой нагрузкой может быть отопление или совместная нагрузка отопления и горячего водоснабжения. На ряде технологических предприятий преобладающим является технологическое теплопотребление.

Групповое регулирование производится в центральных тепловых пунктах (далее ЦТП) для группы однородных потребителей. В ЦТП поддерживаются требуемые расход и температура теплоносителя, поступающего в распределительные или во внутриквартальные сети.

Местное регулирование предусматривается на абонентском вводе для дополнительной корректировки параметров теплоносителя с учетом местных факторов.

Индивидуальное регулирование осуществляется непосредственно у теплопотребляющих приборов, например у нагревательных приборов систем отопления, и дополняет другие виды регулирования.

В данном проекте будет использовано местное регулирование теплопотребления. Все приборы установлены в индивидуальном тепловом пункте (далее ИТП).

При местном регулировании тепловую нагрузку можно регулировать путем изменения:

1) коэффициента теплопередачи нагревательных приборов или их поверхности;

2) расхода греющего теплоносителя;

3) температуры греющего теплоносителя.

Изменение коэффициента теплопередачи используется только при местном регулировании, в частности, при регулировании теплоотдачи от конвекторов путем изменения положения регулирующей пластины.

Недостаток этого метода заключается в том, что растет температура воды в обратном трубопроводе, т.е. увеличиваются удельные (на 1 Гкал переданной теплоты) затраты энергии на привод циркуляционных насосов. Превышение договорных объемов потребления предусмотрены штрафы. При этом остается незамеченным, что перерасход энергии на перекачку теплоты по сравнению с ее расходом на расчетном (для самого холодного времени) режиме является характерной особенностью качественного регулирования.

Регулирование температуры, влажности и чистоты воздуха в помещениях

... плафонов, излучателей. В качестве теплоносителя используется вода с температурой 50-60°С, нагретый воздух и реже пар. Иногда используются электронагревательные элементы. Преимуществами этой системы являются: большая равномерность нагрева и постоянство температуры и влажности воздуха в помещении, отсутствие ...

Регулирование путем изменения расхода теплоносителя (количественное) предполагает, постоянство температуры сетевой воды в подающем трубопроводе. Каждый потребитель индивидуально устанавливает расход теплоносителя, необходимый для создания комфортных (физических и экономических) условий. Проблема заключается в том, чтобы при увеличении расхода теплоносителя одним потребителем, расход теплоносителя у другого потребителя не должен уменьшаться. Это требует согласования гидравлических характеристик потребителей и сети (включая циркуляционные насосы).

Эту систему проще реализовать в небольших системах, например, при отоплении многоквартирного дома от домовой котельной.

Требование постоянства расхода теплоносителя при количественном регулировании связано с возможностью «разрегулирования» гидравлики разветвленной системы теплоснабжения при изменении расхода. Поскольку разные объекты находятся на разном расстоянии от источника, а главное на разной геодезической высоте, вся гидравлика настраивается на один определенный расход теплоносителя путем установки дроссельных шайб или клапанов. При изменении общего расхода в подающей магистрали расход на каждый объект изменяется непропорционально, поэтому теплопотребление одних объектов изменяется больше, других меньше. В такой системе увеличение водозабора на один объект, например путем несанкционированного удаления шайбы на подводящем трубопроводе, может привести к снижению давления в магистрали и, как следствие, к уменьшению расхода воды. В период сильных морозов такое «разрегулирование», если своевременно не принять соответствующих мер, может привести к серьезным последствиям.

При качественном методе регулирования температура теплоносителя изменяется в зависимости от температуры наружного воздуха, путем подмешивания воды от «обратного» потока в «прямой», при этом расход теплоносителя остается постоянным.

Температура подаваемого в здание теплоносителя снижается, что ведет к установлению комфортной температуры внутри здания. Так как расход теплоносителя не изменяется, то выше указанные проблемы при «количественном» регулировании не повлияют на корректную работу регулирования теплопотребления [1].

3. Выбор средств измерения, управления, регулирующего органа и циркуляционных насосов

3.1 Расчёт измеряемых параметров теплоносителя

1. Максимальный расход теплоносителя вычисляем по формуле [2]:

т/час,

где Гкал/час — расчетная максимальная тепловая нагрузка;

• с = 1 Ккал/кг — удельная теплоемкость воды;
• °С — температура воды в подающем трубопроводе;
• °С — температура воды в обратном трубопроводе.

2. Средний расход теплоносителя вычисляется по формуле:

т/час.

Среднюю тепловую нагрузку вычисляем по формуле:

Гкал/ч,

где °С — внутренняя температура в помещении;

• °С — минимальная температура наружного воздуха;
• °С — температура наиболее холодного месяца (январь).

3. Минимальный расход теплоносителя вычисляем по формуле:

т/час.

Минимальную тепловую нагрузку вычисляем по формуле:

Гкал/ч,

где °С — средняя температура летнего месяца;

• °С — температура воды в подающем трубопроводе;
• °С — температура воды в обратном трубопроводе.

3.2 Выбор и расчет регулирующего клапана

Клапаны относят к классу трубопроводной арматуры. Они отличаются способом перекрытия потока теплоносителя, заключающимся в возвратно-поступательном перемещении затвора вдоль оси потока теплоносителя в седле корпуса арматуры. В соответствии со стандартом по назначению различают арматуру:

1) запорную (для перекрытия потока);

2) регулирующую (для изменения расхода теплоносителя);

3) распределительно-смесительную (для распределения потоков теплоносителя по направлениям или для смешивания потоков);

4) предохранительную (для защиты элементов системы при отклонении параметров теплоносителя за рекомендуемые пределы);

5) обратную (для автоматического предотвращения изменения направления теплоносителя).

Одно из главных отличий современной арматуры — это многофункциональность, т. е. предназначенность для выполнения нескольких функций. Такой арматурой является, например, запорно-регулирующая.

Запорная арматура предназначена для перекрытия потока теплоносителя. Принимать запорную арматуру в качестве регулирующей не допускается. Это вызвано, прежде всего тем, что запорная арматура конструктивно не предназначена для таких задач: имеет низкую цикловую нагрузку (быстрое срабатывание при частом использовании) и создает резкий перепад давления теплоносителя при закрывании.

Регулирующая арматура предназначена для регулирования расхода теплоносителя. Независимо от конструктивного исполнения конечной целью ее подбора является обеспечение линейной зависимости между регулирующим воздействием и изменением регулируемого параметра.

К гидравлическим характеристикам клапанов относят также пропускную способность. Ее определяют как объемный расход воды в м3/ч с плотностью 1000 кг/м3, проходящей через клапан при перепаде давления 105 Па (1 бар).

Пропускная способность клапана kv, (м3/ч)/бар0,5 состоит из коэффициента местного сопротивления и площади входного сечения клапана, которую рассчитывают по условному диаметру входного сечения. Поэтому размерность kv представляют иногда в м2, что не в полной мере отражает гидравлическую суть данного параметра.

Параметр kv оцениваемый размерностью лишь м3/ч, удобен в пользовании тем, что дает возможность ощутимого восприятия его пропускной способности при сравнении с другими клапанами. Для всех клапанов перепад давления при их испытании постоянен. Но он, как правило, не совпадает с перепадом давления в реальной системе. Поэтому при заказе и спецификации клапанов необходимо рассчитывать kv по номинальным параметрам системы с учетом традиционно применяемой системы размерностей. Наиболее часто встречающиеся переводные формулы приведены в таблице 1 [3].

Таблица 1 — Определение пропускной способности клапана kv, (м3/ч)/бар0,5

3.2.1 Выбор и расчет регулирующего клапана системы отопления

Исходные данные:

• давление в подающем трубопроводе тепловой сети Р1=6 кгс/см2, в обратном Р2=4 кгс/см2, перепад давлений кгс/см2;
• максимальный расход теплоносителя Gmax =7,1 т/час.

Пропускная способность регулирующего клапана системы отопления

(м3/ч)/бар0,5.

Температурным график 150/70 °С со срезкой на 125 °С при -40 °С.

Используя [4] выбираем клапан и привод.

Клапан регулирующий VVG44.25-6,3 с параметрами:

• условный диаметр — 20 мм;
• пропускная способность — 6,3 (м3/ч)/бар0,5;
• максимальный перепад давления на клапане — 300 кПа;
• диапазон рабочих температур — от 2 °С до 150 °С;
• ход штока — 5,5 мм;
• рекомендуемый тип привода — SQS.

Электропривод для клапана SQS35.53 с параметрами:

• время перемещения — 35 с;
• ход штока — 5,5 мм;
• максимальная температура 130 °С.

3.2.2 Выбор регулирующего клапана системы ГВС

Исходные данные:

• давление в подающем трубопроводе тепловой сети Р1=6 кгс/см2, в обратном Р2=4 кгс/см2, перепад давлений кгс/см2;
• максимальный расход теплоносителя Gmax:

т/час.

Пропускная способность регулирующего клапана системы ГВС:

(м3/ч)/бар0,5.

Температурным график 150/70 °С со срезкой на 125 °С при -27 °С.

Используя [4] выбираем клапан и привод.

Клапан регулирующий VVG44.15-2,5 с параметрами:

• условный диаметр — 15 мм;
• пропускная способность — 2,5 (м3/ч)/бар0,5.
• максимальный перепад давления на клапане — 400 кПа;
• диапазон рабочих температур — от 2 °С до 150 °С;
• ход штока — 5,5 мм;
• рекомендуемый тип привода — SQS.

Электропривод для клапана SQS35.53 с параметрами:

• время перемещения — 35 с;
• ход штока — 5,5 мм;
• максимальная температура 130 °С.

Таблица 2 — Технические характеристики привода клапана типа SQS:

Тип привода	Рабочее напряжение	Позиционный сигнал	Время позициони- рования	Функция возврата пружиной	Время возврата пружиной
SQS 35.53	Переменного тока 230 В	3-позиционный	35 сек.	Да	8 сек.

3.2.3 Выбор циркуляционных насосов

Циркуляционный насос и подпиточный насос отопления и ГВС выбираются по следующим характеристикам: напор (Н) и подача (V).

При выборе циркуляционных насосов для системы отопления следует принимать:

1. Напор, м:

м,

где — удельный объем теплоносителя во входном трубопроводе в водо-подогреватель, м3/ч;

• ?Р — разность давлений в напорном и всасывающем патрубках насоса, МПа, определяется как разность давлений теплоносителя в подающем и в обратном трубопроводах, МПа.

g=9,8 м2/с — ускорение свободного падения.

2. Максимальный расход теплоносителя определен в п. 4.1 и составляет т/ч.

3. Подача насоса нагреваемой среды системы отопления вычисляется по формуле:

м3/ч.

Используя каталог продукции циркуляционных насосов выбран насос Nocchi Pumps типа R2S 25-70, технические характеристики приведены в таблице 3 [5].

Таблица 3 — Технические характеристики насоса

Производитель	Название модели	Напор, м	Подача, м3/ч	Потребляемая мощность, Вт	Стоимость, руб.
NOCCHI PUMPS	R2S 25-70	15	10	140	4800

3.3 Выбор технических средств

3.3.1 Регулирующее устройство

В качестве контроллера системы отопления и ГВС в проектируемой системе возможно использование различных комплексов приборов. В рамках проекта рассматриваются 3 контроллера систем отопления — Овен ТРМ132-М, ВС10-01 и Тритон-021.

Таблица 4 — Основные технические характеристики контроллера системы отопления типа ВС10-01

№ п/п	Наименование параметров контроллера	Значения параметров
1	Диапазон температур, контролируемых датчиками, єС	от минус 35 °С до +115 °С
2	Погрешность регулирования температуры, °С	±1
3	Напряжение питания сети переменного тока, В	220 В (-15 % ,+10 %)
4	Частота питающей сети, Гц	50±1
5	Потребляемая мощность, не более, Вт	5
6	Номинальный ток нагрузки контактов реле при ~220 В, А	2
7	Максимальный ток нагрузки контактов реле длительностью не более 5 сек. при ~220 В, А	6
8	Номинальный ток нагрузки контактов реле управляющих котлами — 5 В, мА	10
9	Степень защиты корпуса	IP54
10	Рабочая температура окружающей среды, °С	от 0 до +40
11	Относительная влажность окружающей среды, % при +25 °С	до 80
12	Предел допускаемой основной приведенной погрешности измерения входного параметра и формирования выходного параметра	0,4 %

Основные технические характеристики контроллера системы отопления типа ТРИТОН-021.

Контроллер для систем отопления и ГВС ТРИТОН-021 предназначен для поддержания температуры воды в контуре отопления в соответствии с отопительным графиком с возможностью снижения температуры в ночное время и в выходные дни, а также для поддержания заданной постоянной температуры воды в контуре ГВС [6].

Таблица 5 — Основные технические характеристики контроллера системы отопления типа ТРИТОН 021

№ п/п	Наименование параметров контроллера	Значения параметров
1	Диапазон температур, контролируемых датчиками, єС	от минус 35 °С до +115 °С
2	Погрешность регулирования температуры, °С	±2
3	Напряжение питания сети переменного тока, В	220 В
		(-15 % ,+10 %)
4	Частота питающей сети, Гц	50±1
5	Потребляемая мощность, не более, Вт	5
6	Номинальный ток нагрузки контактов реле при ~220 В, А	2
7	Максимальный ток нагрузки контактов реле длительностью не более 5 сек. при ~220 В, А	6
8	Номинальный ток нагрузки контактов реле управляющих котлами — 5 В, мА	10
9	Степень защиты корпуса	IP54
10	Рабочая температура окружающей среды, °С	от 0 до +50
11	Относительная влажность окружающей среды, % при +25°С	до 80
12	Предел допускаемой основной приведенной погрешности измерения входного параметра и формирования выходного параметра	0,2 %

Функциональные возможности Овен ТРМ132-М:

1) автоматическое регулирование температуры в контуре ГВС с соответствии с заданной уставкой;

2) автоматическое регулирование температуры в контуре отопления по графику от Т-наружного воздуха;

3) отработка графика температуры обратной воды в зависимости от Т-наружного воздуха и Т-прямой воды (защита от завышения и занижения температуры обратной воды);

4) управление основным и резервным насосом в обоих контурах;

5) защита от превышения температуры в контуре ГВС;

6) управление насосом подпитки в контуре отопления;

7) возможность использования третьего насоса в каждом контуре (аварийного);

8) формирование сигналов управления внешними исполнительными механизмами и устройствами в контуре ГВС: запорно-регулирующим клапаном, основным и резервным насосами, клапаном слива (опционально); устройствами сигнализации;

9) формирование сигналов управления внешними исполнительными механизмами и устройствами в контуре отопления: запорно-регулирующим клапаном, основным и резервным насосами, насосом подпитки, устройствами сигнализации;

10) диагностика аварийных ситуаций (обрыв датчиков температуры и датчиков положения, неисправность насосов);

11) задание значений программируемых рабочих параметров с помощью встроенной клавиатуры управления, а также от ПК по сети RS-485 и RS-232;

12) предел допускаемой основной приведенной погрешности измерения входного параметра и формирования выходного параметра составляет 0,15 %;

13) комплект поставки: регулятор СО и ГВС, комплект термопреобразователей сопротивления (4 штуки НСХ 100П), кабель RS-232 [7].

В результате анализа технических характеристик контроллеров, в качестве регулирующего устройства выбран компактный многоканальный многофункциональный микропроцессорный контроллер Овен ТРМ132-М, в комплект которого входят 4 ТПС НСХ 100П, обладающий меньшим пределом допускаемой приведенной погрешности, по сравнению с ВС10-01, и меньшей стоимость по сравнению с контроллером Тритон-021.

3.3.2 Пускатель

Для управления приводом типа SQS пусковое устройство не требуется. Управление происходит непосредственно контроллером, который формирует управляющий сигнал в форме логического «0» или «1». Питание привода осуществляется от сети переменного тока 220 В. Схема подключения приведена на листе 1 ФЮРА.421000.008 Э3.

3.3.3 Блок ручного управления

В данной курсовой работе блок ручного управления не требуется, так как выбран привод типа SQS 35.53, который имеет регулировочную ручку с индикатором хода штока.

регулирование теплопотребление насос циркуляционный

3.3.4 Преобразователи давления

При выборе преобразователя давления рассмотрены 2 варианта: отечественный ОВЕН ПД200-ДИ и преобразователь давления немецкого производства JUMA MIDAS 401001.

Преобразователь ОВЕН ПД200-ДИ имеет следующие характеристики:

1) измерение избыточного давления нейтральных к титану и нержавеющей стали сред (воздух, пар, различные жидкости);

2) преобразование избыточного давления в унифицированный сигнал постоянного тока 4…20 мА на базе HART протокола;

3) верхний предел измеряемого давления — ряд значений от 100 кПа до 100 МПа;

4) класс точности 0,1, 0,5 или 1,0;

5) хорошие показатели временной стабильности выходного сигнала;

6) повышенная устойчивость к воздействию электромагнитных помех;

7) конфигурирование и калибровка с использованием средств наладки/калибровки (ПК, специальный коммуникатор) [8].

Преобразователь JUMA MIDAS 401001 имеет следующие характеристики:

1) измерение избыточного давления нейтральных к нержавеющей стали сред (воздух, пар, различные жидкости);

2) преобразование избыточного давления в унифицированный сигнал постоянного тока 4…20 мА;

3) верхний предел измеряемого давления — ряд значений от 100 кПа до 100 МПа;

4) класс точности 0,5 или 1,0;

5) высокая перегрузочная способность по давлению, 0…40 бар;

6) хорошие показатели временной стабильности выходного сигнала;

7) Повышенная устойчивость к воздействию электромагнитных помех [8].

Преобразователи имеют схожие характеристики, однако стоимость преобразователя ОВЕН ПД200-ДИ в 2,5 раза ниже, чем преобразователя JUMA MIDAS 401001, что обуславливает выбор преобразователя давления производства фирмы ОВЕН.

3.3.5 Блок питания

В качестве блока питания для преобразователя давления ОВЕН ПД200-ДИ выбран блок питания фирмы Овен типа БП02Б-Д1, т.к. технические характеристики данного блока подходят для питания преобразователя давления ОВЕН ПД200-ДИ, к тому же большинство оборудования в данном проекте используется фирмы Овен.

Таблица 6 — Технические характеристики блока питания БП02Б-Д1-24

Параметр	Значение
Входное напряжение, В	~ 90 … 264
Частота входного переменного напряжения, Гц	47 … 63
Номинальное выходное напряжение, В	= 24
Максимальная погрешность выходного напряжения, %, не более	+- 3
Амплитуда пульсации выходного напряжения, мВ	120
Максимальный ток нагрузки, А	0,1
Ток потребления при входном напряжении ~220 В, не более, А	0,03
Порог срабатывания защиты по току	1,3ч2 Imax*
Нестабильность выходного напряжения при изменении напряжения питания, %, не более
Нестабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки от 0,1 I max до I max, %, не более

* — Imax — максимальный ток нагрузки, А [9].

4. Разработка функциональной схемы

При проектировании функциональных схем систем автоматизации технологических процессов необходимо знать все технологическое параметры процесса и их взаимодействие между собой. Если в ходе проектирования выясняется, что система выполняет большое количество функций, то возможно разделение по функциональным элементам, роль которых в отдельных элементах показана в специальных схемах. Таким образом, функциональные схемы могут иметь различную степень детализации, которая должна быть достаточной для представления принятых технических решениях и обеспечения состава всего комплекса проектных материалов.

Проектируемая функциональная схема АСР теплопотребления здания содержит небольшое количество элементов и эти элемент являются серийно выпускаемой продукцией, что позволяет изобразить функциональную схему АСР теплопотребления без детализации, а принцип работы прост и нагляден.

В функциональной схеме отображены все основные технические решения, связанные с автоматизацией установок, агрегатов и узлов, участвующих в технологическом процессе.

Функциональные схемы автоматизации являются основным техническим документом, определяющим структуру и характер автоматизации технологических процессов, оснащение приборами и средствами автоматизации, тем самым является разъясняющим документом о протекающих процессах в отдельных функциональных цепях.

При разработке функциональных схем автоматизации необходимо учитывать:

• специфику объекта автоматизации (вид и характер процесса, условия взрывоопасности и пожароопасности, агрессивность и токсичность окружающей среды);
• внедрение такого технического комплекса средств автоматизации, чтобы имелась возможность дальнейшей модернизации и наращивания функций управления;
• места установки датчиков, вспомогательных устройств, исполнительных механизмов и расстояния от них до пунктов управления и контроля;
• однотипность средств автоматизации и унифицированность систем, характеризуемая простотой сочетания, взаимозаменяемостью и удобством компоновки;
• проектирование систем на базе серийно выпускаемых средств автоматизации и вычислительной техники;

— количество приборов, аппаратуры управления и сигнализации, устанавливаемой на оперативных щитах и пультах для облегчения эксплуатации, уменьшения стоимости оборудования и упрощения наблюдения оперативного персонала за основными параметрами протекающих процессов [10].

На функциональных схемах условными графическими обозначениями изображают технологическое оборудование и трубопроводы, органы управления, приборы и средства автоматизации, показывают взаимодействие технологического оборудования и элементов автоматики, и связи между элементами автоматизации.

В курсовой работе разрабатывается АСР теплопотребления жилого здания, следовательно, объектом автоматизации является тепловой пункт здания.

Функциональная схема АСР теплопотребления жилого здания представлена на двух листах формата А3 и А4 соответственно (ФЮРА.421000.008 С2).

На первом листе в верхней части функциональной схемы изображен схематически тепловой узел здания, первичные преобразователи измеряемых технологических параметров, запорная арматура, регулирующие устройства и циркуляционные насосы. На втором листе изображены приборы, установленные по месту (преобразователи давления) и местный щит КИПиА с установленным в нем контроллером.

На функциональной схеме АСР теплопотребления здания выделены измерительные каналы (1-7) и каналы управления (8-12).

Измерительные каналы 5-7 формируют сигналы о величине давления перед циркуляционными насосами, которые поступают к регулирующему устройству по HART протоколу. Контроллер формирует дискретный регулирующий сигнал и по регулирующим каналам 10-12 производится останов либо пуск циркуляционных насосов, которые запитаны от сити переменного тока 220 В.

С помощью измерительных каналов 1-4 определяется значение температуры (преобразователями 1а, 2а, 3а, 4а), установленными на прямом и обратном трубопроводах СО, ГВС и температуры наружного воздуха, которые поступают к контроллеру. Контроллер формирует дискретный регулирующий сигнал, который приводит в действие электрический привод регулирующего клапана, питание которого осуществляется от сети переменного тока 220 В.

Контроллер системы отопления и ГВС регулирует теплопотребление здания с помощью регулирующих клапанов, а также вырабатывает сигнал управления циркуляционными насосами в обоих контурах и насосом подпитки в контуре отопления. В качестве ручного управления на электроприводе типа SQS имеется регулировочная ручка с индикатором хода штока.

5. Проектирование принципиальной схемы АСР

Принципиальная электрическая схема определяет полный состав приборов, аппаратов и устройств (а также связей между ними), действие которых обеспечивает решение задач управления, регулирования, защиты, измерения и сигнализации. Принципиальные схемы служат основанием для разработки других документов проекта (монтажных таблиц щитов и пультов, схем внешних соединений и др.).

При выполнении схемы используем развернутые изображения элементов технических средств. Расположение графического текстового материала выбрано для облегчения чтения этого чертежа. Принципиальная электрическая схема выполнена с применением условных графических изображений.

Для однозначной записи в сокращенной форме сведений об элементах и устройствах применяются условно буквенные обозначения согласно ЕСКД ГОСТ 2.710-81. Прописные буквы, а также цифры латинского алфавита присвоены элементам схемы согласно их назначению. На основании принятых обозначений составлен перечень элементов.

Чтение принципиальных электрических схем и особенно эксплуатация электрических установок значительно упрощается, если при разработке схем производить обозначение цепей по функциональному признаку в зависимости от их назначения. Для обозначения участков цепей принципиальных электрических схем применяются арабские цифры одного размера. Последовательность обозначений сверху вниз в направлении слева направо. В данной схеме для цепей управления, регулирования и измерения используется группа чисел 1 — 100, для цепей питания постоянным током 700-799, для цепей питания переменным током 800-899. В процессе обозначения цепей были оставлены резервные номера [10].

Получение информации о значениях параметров температуры в прямом и обратных контурах СО и ГВС и наружного воздуха, а так же значения давления перед циркуляционными насосами происходит при помощи измерительных преобразователей температуры В1, В2, В3, В4 и первичных преобразователей давления В5, В6, В7 соответственно. С выходов измерительных преобразователей температуры, подключенных по трехпроводной системе, сигнал в виде сопротивления поступает на входные клеммы (31-33, 34-36, 37-39, 40-42) контроллера А1. Затем сигнал с ТПС преобразуется в цифровой код, который далее поступает на процессор контроллера, обрабатывающий данные о температуре и вырабатывающий управляющие воздействия в соответствии с заданным алгоритмом управления. Далее управляющие воздействия поступают с выходных клемм контроллера (5 и 8, 11 и 14) на обмотку управления электромагнитного привода (SQS 35.53) D1 и D2, после чего вал привода начинает вращаться, изменяя положение регулирующего органа. Питание электромагнитного привода осуществляется от сети переменного тока 220 В.

Блок питания А2 питает первичные преобразователи сопротивления В5, В6 и В7. С выходных клемм первичных преобразователей давления (1, 2, 3) по HART протоколу сигнал поступает на входные клеммы (49-50, 51-52, 53-54) контроллера СО и ГВС А1. Затем сигнал с датчика давления преобразуется в цифровой код, который далее поступает на процессор контроллера, обрабатывающий данные о давлении воды в трубопроводе и вырабатывающий управляющие воздействия в соответствии с заданным алгоритмом управления. Далее управляющие воздействия поступают с выходных клемм контроллера (16-17, 18-19 и 20-21) на входные клеммы циркуляционных насосов (D3, D4 и D5) после чего происходит пуск либо останов насосов. Питание насосов происходит от сети переменного тока 220 В.

Принципиальная электрическая схема САР теплопотребления представлена на листе ФЮРА.421000.008 Э3.

6. Проектирование монтажной схемы АСР теплопотребления

Монтажные схемы проектируют для выполнения электрической и других видов коммутации технических средств при монтаже систем автоматизации. Для сложных систем автоматизации отдельно выполняют монтажные схемы щитов и пультов и монтажные схемы внешних электрических и трубных проводок.

Монтажная документация, разрабатываемая в процессе проектирования систем автоматического регулирования, включает в себя:

1) монтажную документацию щитов и пультов;

2) монтажную документацию внешних электрических и трубных проводок.

Монтажные схемы щитов и пультов проектируют с целью выполнения различных видов коммутации элементов систем автоматизации в пределах щитов и пультов. К монтажной документации щитов относят схемы электрических соединений щитов.

Монтажная схема электрических проводок щита (схема электрических соединений щита) выполнена отдельно от других видов монтажных схем.

На чертеже монтажной схемы изображены очертания развернутых в одной плоскости внутренних стенок щита с упрощенными изображениями элементов системы автоматизации. Определено количество и местоположение сборок зажимов.

Исходя из удобства представления, монтажная схема электрических проводок щита выполнена адресным способом.

Контроллер изображен условно сплошной линией в виде упрощенного контура с теми клеммами, которые используются.

Присвоены порядковые номера средств системы автоматизации. Проводники, подключаемые к зажимам и клеммам технических средств, маркированы в соответствии с принципиальной схемой.

Монтажная схема электрических проводок щита приведена на втором листе с шифром ФЮРА.420000.008 С4.

К внешним электрическим и трубным проводкам относят такие проводки, которые расположены за пределами щитов и пультов.

Целью проектирования внешних и внутренних электрических и трубных проводок является создание монтажной документации, необходимой и достаточной для прокладки трубных и электропроводок, коммутации токоведущих жил и труб к техническим средствам автоматизации и вспомогательным элементам, проверки проводок и ввода их в эксплуатацию.

Схема монтажная внешних электрических проводок, представленная на первом листе с шифром ФЮРА.421000.008 С4, содержит:

1) первичные преобразователи, расположенные вне щита;

2) внешние электрические проводки;

4) щит автоматизации;

6) технические требования;

7) таблицу с поясняющими надписями.

На схеме внешних проводок сверху поля чертежа размещена таблица с поясняющими надписями. Под таблицей с поясняющими надписями расположены изображения первичных преобразователей и других средств автоматизации, устанавливаемые непосредственно на технологическом оборудовании и технологических трубопроводах.

Циркуляционные насосы, электромагнитные приводы и другие средства автоматизации с электрическими входами и выходами изображены монтажными символами в соответствии с заводскими инструкциями. При этом внутри монтажных символов указаны номера зажимов и подключение к ним жил проводов или кабелей, причем изображены только использующиеся клеммы. Маркировка жил нанесена вне монтажного символа.

Единичный односекционный щит автоматизации изображен в виде прямоугольника в нижнем левом углу чертежа. В прямоугольнике показаны блоки зажимов, а также подключенные к ним, жилы кабелей и провода с соответствующей маркировкой. На свободном поле прямоугольника нанесено наименование щита.

Первичные преобразователи и внещитовые приборы, щит КИПиА соединены между собой электрическими линиями связи, выполненными с помощью электрических кабелей, проводов и жгутов проводов.

Для соединения и разветвления электрических кабелей на схеме показаны электрические соединительные коробки КСК-12 и КСК-16. Электрические соединительные коробки также изображены в виде двух прямоугольников произвольного размера. Внутри изображены сборки зажимов с необходимой нумерацией зажимов. Показаны подключения к зажимам жил кабелей с соответствующей маркировкой этих жил. В местах ввода в коробку кабелей нанесены изображения сальников. Типы сальников указаны на полках линий — выносок.

Для каждой внешней электрической проводки приведена ее техническая характеристика.

Порядковые номера проводкам на схеме присвоены слева направо и сверху вниз, т.к. условное обозначение щита автоматизации расположено в нижней части чертежа.

7. Выбор проводов, кабелей и защитных труб

Кабели электропроводок систем автоматизации тепловых пунктов, согласно [11] и [10], должны иметь поливинилхлоридную, резиновую, бумажную, полиэтиленовую изоляцию жил и поливинилхлоридную, резиновую, свинцовую, алюминиевую оболочку. Используя каталоги кабельной продукции выберем кабели марки КРВГ и АКРВБГ (для цепей питания), которые соответствуют всем требованиям и являются наиболее применяемыми в электропроводках систем автоматизации. Кабель КРВГ имеет медные многопроволочные жилы, изолированные резиной, скрученные между собой, в общей поливинилхлоридной оболочке. Наружная оболочка кабеля повторяет форму скрученных жил. Для кабелей указываем марку, количество и сечение жил и при необходимости количество занятых жил, а также длину кабеля.

Для линий питания выбираем кабели с алюминиевыми жилами типа АКРВБГ сечением 2,5 мм2 с броней из двух стальных оцинкованных лент. Для информационных линий выбираем кабели типа КРВГ сечением 1,5 мм2.

В некоторых случаях в резерве остается одна или несколько жил, что идет в разрез с рекомендациями. Это допускается из-за ступенчатости стандартного ряда количества жил. Выбранные кабели, а также их технические характеристики представлены в таблице 4.

Таблица 7 — Характеристики проводов и кабелей электропроводки АСР

№ линии	Марка	ГОСТ, ТУ	Число жил	Номинальное сечение, мм2	Диаметр, мм
14	АКРВБГ	ТУ 16.К71-310-2001	14	2,5	23,8
15	АКРВБГ		5	2,5	18
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12	КРВГ		4	1,5	11,2
13	КРВГ		14	1,5	18
16	КРВГ		7	1,5	13,2

В качестве защиты кабелей, согласно [11], выбираем металлорукав РЗ-Ц по ГОСТ 9.301, ГОСТ 9.302, которые следует применять в сухих и влажных помещениях, а также при открытой и скрытой прокладке в жарких, пыльных пожароопасных помещениях. Для кабелей линий питания защитные трубы не выбираются, так как кабели изначально бронированные.

При определении внутреннего диаметра металлорукова, необходимого для данной конкретной проводки, учитываем диаметр кабеля, проходящего в ней. Причем для удобства протяжки кабелей через трубы, внутренний диаметр должен быть в 1,5 раза больше диаметра кабеля. Таким образом, защитные трубы выбираем по внешнему диаметру с учетом толщины стенки из стандартного ряда.

Тогда для кабелей КРВГ 4х1,5:

D ? 1,5

• 11,2 = 16,8 мм,

выбираем металлорукав РЗ-ЦХ диаметром D = 18 мм с толщиной стенки д = 1,1 мм.

Для кабеля КРВГ 14х1,5:

D ? 1,5

• 18 = 27 мм,

выбираем металлорукав РЗ-ЦХ диаметром D = 32 мм с толщиной стенки д = 1,6 мм.

Для кабеля КРВГ 7х1,5:

D ? 1,5

• 13,2= 19,8 мм,

выбираем металлорукав РЗ-ЦХ диаметром D = 22 мм с толщиной стенки д = 1,3 мм.

В щите автоматизации для соединения сборок зажимов с микроконтроллером используем провод с медной многопровольчной жилой и изоляцией из поливинилхлоридного пластиката марки ПВ-3.

8. Конструкторская разработка АСР

Конструкторские разработки — это комплекс работ, осуществляемых с целью создания конструкторской документации. Конструкторская документация — это графические и текстовые документы, которые в совокупности или в отдельности, определяют состав и устройство изделия и содержат необходимые данные для его разработки, изготовления, контроля, эксплуатации, ремонта и утилизации.

В данной курсовой работе рассмотрим узел крепления термопреобразователя сопротивления на водопроводе. ТПС необходимо устанавливать в местах, обеспечивающих надежную работу. ТПС не должен подвергаться вибрации и тряске, в противном случае необходимо применять амортизационные устройства. В воздухе помещений, где устанавливаются приборы, не должно быть примесей, разрушающе действующих на металлические части прибора. Монтаж осуществляется с помощью специальных закладных конструкций — бобышек, которые привариваются к паропроводу, имеет резьбу для фиксации термопреобразователя и уменьшения до минимума утечки тепла по арматуре или подсоса холодного воздуха, т.к. потеря уплотнения приводит к искажению показаний.

Способы монтажа термоэлектрических преобразователей на трубопроводах зависят от диаметра трубопровода, конструктивных особенностей оборудования, места установки и габаритных размеров прибора.

Одним из основных условий для установки прибора на трубопроводе является соблюдение требуемой глубины погружения, от которой зависит точность измерения температуры. Понятие «глубина погружения» прибора в технологических трубопроводах определяется положением, которое занимает конец погружаемой части прибора ниже оси трубопровода. Как правило, конец погружаемой части должен размещаться на глубине (0,3-07)*Dвн, по которому движется измеряемая среда. Узел крепления термоэлектрического преобразователя выполнен согласно [12] и представлен в приложении В.

В шкафу автоматики расположен микропроцессорный контроллер Овен ТРМ-132М, блок питания Овен типа БП02Б-Д1 и клеммные сборки.

Шкаф автоматики выполняются на базе настенных шкафов серии АЕ 1060.500 (600х600х210 мм) производства компании «Rittal» и обеспечивают степень защиты от внешних воздействий не меньше IP43 [13].

Конструкциия шкафа автоматики обеспечивает удобство эксплуатации и ремонта с минимально возможными затратами времени. В щитах управления предусмотрены замки для исключения несанкционированного доступа, шина заземления с местом под приварку ее к главной заземляющей шине. Также для щитов управления предусмотрена система регулирования температуры внутри щитов на базе термореле, вытяжного вентилятора и вентиляционные отверстия для забора воздуха.

В вертикальные короба с левой стороны укладывают провода, которые питаются от сети с напряжением 220 В, а с правой стороны — 24 В. А по горизонтальным коробам провода распределяются в зависимости от подключения к различным устройствам и модулям.

В нижней части шкафа расположены клеммные сборки для подключения проводов, по которым поступает информация на контроллер системы отопления и ГВС и питание к техническим средствам автоматизации.

Общий вид щита представлен на листе с шифром ФЮРА.421000.008 С4.

Заключение

В ходе курсовой работы разработана система автоматического контроля теплопотребления жилого здания.

Проект выполнен в соответствии с нормативными документами:

• СНиП 41-02-2003 — Тепловые сети, 2004г;
• СНиП 3.05.07-85 — Системы автоматизации, 1998 г.;
• СП 41.101-95 — Проектирование тепловых пунктов, 1997 г.;
• Правила учета и регулирования тепловой энергии и теплоносителя, 1995 г.;
• ГОСТ 23501.101-87 — Системы автоматизированного проектирования. Основные положения;
• СТО ТПУ 2.5.01-2011 — Работы выпускные квалификационные, проекты и работы курсовые.

Структура и правила оформления.

В процессе выполнения курсовой работы разработана функциональная схема, выбраны технические средства автоматизации для реализации АСР и составлена заказная спецификация. АСР теплопотребления здания выполнена на базе микропроцессорного контроллера фирмы Овен типа ТРМ132М. На основе выбранных средств автоматизации спроектированы принципиальная электрическая и монтажная схемы. Выполнена конструкторская разработка общего вида шкафа автоматики, сконструирован на основе типового проектного решения узел крепления термопреобразователя сопротивления, рассчитан и выбран регулирующий орган и циркуляционные насосы.

Таким образом, результатом выполнения курсовой работы является комплект текстовой и графической документации, удовлетворяющий действующим нормативным документам.

Разработанная система автоматического регулирования теплопотребления, реализованная на базе современных технических средств, отвечает предъявляемым к ней требованиям.

Список использованных источников

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/sistemyi-avtomaticheskogo-regulirovaniya-potrebleniya-teplovoy-energii/

1 [Электронный ресурс] .- Режим доступа:

http://www.energosovet.ru/stat37.html , свободный. — Загл. с экрана.

2 СНиП 41-02-2003 Тепловые сети. — М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2004. — 21 с.

3 Пырков В.В. Современные тепловые пункты. Автоматика и регулирование. — Киев: Изд-во Таки справи, 2008. — 126 с.

4 Каталог трубопроводной арматуры ООО «Siemens». — М.: Изд-во ООО «ЭнергоСтиль-М », 2010. — 48 с.

5 Циркуляционные насосы Nocchi Pumps. Тематический каталог. — М.: Изд-во ООО «Danfoss», 2009. — 81 с.

6 Контроллер СО и ГВС Тритон-021. Руководство по эксплуатации. — Москва, 20011. — 10 с.

7 [Электронный ресурс] .- Режим доступа:

http://www.owen.ru/catalog/47980605, свободный. — Загл. с экрана.

8 Каталог современных первичных преобразователей давления — М.: Изд-во ООО «ЭнергоСтиль-М », 2013. — 152 с.

9 [Электронный ресурс] .- Режим доступа:

, свободный. — Загл. с экрана.

10 СНиП 3.05.07-85 — Системы автоматизации. — М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2001. — 31 с.

11 СНиП 3.05.06-85 — Электротехнические устройства. — М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 1998. — 31 с.

12 [Электронный ресурс] .- Режим доступа:

http://www.vzljot.ru/files/docs/68/re_tps.pdf , свободный. — Загл. с экрана.

13 Каталог продукции Rittal — Компактные корпуса: Rittal, 2006. — 72 с.

14 Клюев А.С., Глазов Б.В., Дубровский А.Х., Клюев А.А. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 464 с.

Доклад

В курсовой работе разработана система автоматического регулирования теплопотребления жилого здания. Назначение АСР заключается в том что появляется возможность контролировать температуру теплоносителя, что приводит к существенной экономии энергоресурсов и материальной составляющей населения.

Для выбора структурны АСР, рассмотрены типовые решения и выбрано наиболее подходящее, удовлетворяющее исходным данным и предъявляемым к системе требованиям. Структурная схема АСР теплопотребления разработана по принципу качественного регулирования температуры теплоносителя, т.е. температура теплоносителя изменяется путем подмешивания воды от «обратного» потока в «прямой».

Разработана функциональная схема, определяющая расположение технических средств автоматизации, а также связи между ними. Всем техническим средствам присвоено позиционное обозначение. Параллельно с процессом проектирования функциональной схемы был произведен и обоснован выбор технических средств автоматизации и составлена заказная спецификация, приведенная в тексте пояснительной записки.

Функциональная схема системы представлена на листе ФЮРА.421000.008 С2.

Принципиальная электрическая схема определяет полный состав и взаимосвязи приборов, аппаратов и устройств, действие которых обеспечивают задачу автоматического регулирования теплопотребления. Произведена маркировка цепей, каждому элементу присвоено условное буквенно — цифровое обозначение, облегчающее чтение схемы, составлен перечень элементов.

На основе принципиальной электрической схемы спроектирована монтажная схема, которая включает в себя монтажную схему внешних электрических проводок, необходимую для прокладки электропроводок к техническим средствам автоматизации, расположенным вне щита, и монтажную схему щита автоматизации для выполнения различных видов коммутации элементов в пределах щита. Параллельно были выбраны монтажные материалы, такие как кабели, провода, соединительные (импульсные) и защитные трубы.

Кроме того, в курсовой работе проведена конструкторская разработка общего вида щита автоматизации, определяющая расположение технических средств автоматизации во внутренней области щита.

Для регулирования теплопотребления используют запорно — регулирующую арматуру. Предварительно рассчитав пропускную способность, выбран клапан типа SQS35.53 фирмы сименс.

Таким образом, результатом выполнения курсовой работы является комплект текстовой и графической документации, удовлетворяющий действующим нормативным документам.

Разработанная система автоматического регулирования расхода воздуха, реализованная на базе современных технических средств, отвечает предъявляемым к ней требованиям.

В процессе выполнения курсовой работы закреплены теоретические знания и освоены практические навыки проектирования систем автоматического регулирования, а также изучены современные технические средства автоматизации.

Требования к системе:

3) регулирование температуры теплоносителя в трубопроводе смешения и обратном трубопроводе сети по температурному графику в зависимости от температуры внешнего воздуха (контур отопления);

4) регулирование температуры горячей воды в системе ГВС согласно температуре указанной в СНиП (контур горячего водоснабжения).